양자생명물리과학원 김인기, 루크 리 교수 연구팀, 메타표면 칩 기반 세포 모니터링 기술 개발

- 메타표면 칩 기반 초분광 이미징 및 센서 기술 개발

- 한 번에 여러 종류의 분자를 측정하는 멀티플렉싱 센서 기술 개발

- 어드밴스드 머티리얼즈 표지논문 선정

▲(왼쪽부터) 양자생명물리과학원 김인기 교수, 루크 리 교수, 포항공대 노준석 교수, 서울시립대 최인희 교수

양자생명물리과학원 김인기, 루크 리(하버드 의대) 교수 연구팀은 포항공대 노준석 교수 및 서울시립대 최인희 교수팀과 공동 연구를 통해 메타표면 칩을 통해 실시간으로 세포를 모니터링 할 수 있는 초분광 이미징 기술을 개발했다.

초분광 이미징(Hyperspectral imaging) 기술이란 현미경을 통해 사물의 모양과 사물의 분광 신호를 동시에 관찰하는 기술이다. 이를 통해 사물을 관찰하게 되면 사물의 위치 정보와 화학물질에 대한 시공간적 정보를 동시에 얻을 수 있다. 세포 안에서 일어나는 다양한 생명현상과 직간접적으로 관련된 화학물질을 세포 안 또는 밖에서 실시간으로 탐지하고 모니터링하는 기술은 각종 질병의 조기 진단 및 치료제 개발을 가능하게 하는 핵심 기술로 여겨지고 있다. 본 연구에서는 플라즈몬 공명 에너지 전달 현상(Plasmonic resonance energy transfer, PRET)을 통해 타겟 화학물질의 분자 지문을 비표지 방식으로 검출할 수 있는 기술을 개발했다.

PRET 기반의 센서 기술은 빛 에너지를 산란시키는 물체와 그 에너지를 흡수하는 물체 사이의 에너지 전달 현상을 통해, 빛을 흡수하는 물체의 화학 정보를 알아낼 수 있다. 하지만 기존의 나노입자 탐침 기반의 PRET 센서는 나노입자의 제한된 산란 특성으로 인해 한 번에 하나의 분자만 측정할 수 있고, 세포와 세포 사이에서 일어나는 물질 전달을 실시간으로 모니터링하기 어려운 단점이 존재했다. 또한 세포의 시공간적 변화를 정확하게 실시간으로 모니터링을 하기 위해서는 좀 더 정밀한 칩 형태의 디바이스 구현이 요구되고 있었다.

연구진은 머리카락 굵기 1000분의 1에 불과한 초박형 평면 광학 소자인 메타표면을 활용해 초분광 이미징 및 멀티플렉싱 센서 기술을 개발했다(그림1). 메타표면은 빛 파장보다 작은 패턴을 이용해 만든 2차원 박막 구조를 뜻한다. 메타표면 칩은 빛의 산란 특성을 자유자재로 조절할 수 있고, 이를 이용해 가시광선 영역에서 원하는 파장의 빛만을 산란시키는 광소자를 구현하였다(그림2). 연구팀은 세포의 신진대사에 중요한 역할을 하는 시토크롬(Cytochrome) 및 클로로필(Chlorophyll)과 같은 서로 다른 종류의 분자들을 메타표면 칩을 통해 한 번에 검출할 수 있음을 확인했다. 시토크롬은 전자전달계에 관여하는 단백질로 세포의 건강 상태를 판별할 인자로 사용되고, 클로로필의 경우에는 식물세포에서 광합성에 관여하는 빛 에너지를 흡수하는 안테나 역할을 한다.

▲[그림1] 메타표면 칩 기반 초분광 이미징 및 센서 기술 모식도

▲[그림2] 메타표면 칩을 통한 살아있는 세포에서 방출되는 활성산소 모니터링 기술

더 나아가 연구팀은 이 메타표면 칩을 통해 살아있는 세포에서 분비되는 활성산소를 실시간으로 검출할 수 있는 기술 또한 선보였다. 메타표면 칩 위에 정상세포, 암세포 및 약물처리가 된 암세포를 키우고, 각 세포에서 나오는 활성산소를 비표지 방식으로 모니터링 할 수 있는 기술을 개발하였다 (그림3). 1시간 동안 세포의 동일한 위치에서 나오는 활성산소의 양을 모니터링하며, 약물처리된 암세포-일반 암세포-정상세포 순으로 활성산소가 많이 분비되는 것을 관찰할 수 있었다. 이 기술은 향후 치료제 스크리닝 플랫폼으로 적용될 수 있을 것으로 기대된다. 이번 연구를 통해 구현된 메타표면 칩 기반 초분광 이미징 및 센서 기술은 세포 내의 다양한 화학물질을 검출할 수 있을 뿐만 아니라 세포 간 커뮤니케이션에 사용되는 세포 분비물을 실시간으로 모니터링 할 수 있을 것으로 기대된다.

▲[그림3] 메타표면을 통한 특정 가시광선 파장 산란 기술을 이용한 컬러 프린팅 기술

본 연구 결과는 국제학술지인 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials, IF: 32.086)에 8월 10일 정식 출판되었고, 연구의 우수성을 입증받아 해당 호 표지논문으로 선정되었다. 본 연구는 미래유망융합기술 파이오니어 사업, 선도연구센터, 중견연구자지원 사업 및 세종과학펠로우십 사업 등을 통하여 수행되었다.